Химический элемент никель

План реферата :

1. Название элемента.
2. Положение в периодической системе.
3. Физические свойства.
4. Химические свойства.
5. Нахождение элемента и его соединений в пищевом сырье и продуктах питания.
6. Биологическая роль.
7. Методы качественного и количественного определения элемента.
8. Список литературы.

 

 

НИКЕЛЬ

 

Никель (лат. Niccolum), Ni, химический элемент первой триады VIII группы периодической системы  Менделеева, атомный номер 28, атомная  масса 58,70; серебристо-белый металл, ковкий и пластичный.

Историческая  справка.

   Металл в нечистом виде впервые получил в 1751 шведский химик А. Кронстедт, предложивший и название элемента. Значительно более чистый металл получил в 1804 немецкий химик И. Рихтер. Название «Н.» происходит от минерала купферникеля (NiAs), известного уже в 17 в. и часто вводившего в заблуждение горняков внешним сходством с медными рудами (нем. Kupfer — медь, Nickel — горный дух, якобы подсовывавший горнякам вместо руды пустую породу). С середины 18 в. Н. применялся лишь как составная часть сплавов, по внешности похожих на серебро. Широкое развитие никелевой промышленности в конце 19 в. связано с нахождением крупных месторождений никелевых руд в Новой Каледонии и в Канаде и открытием «облагораживающего» его влияния на свойства сталей.

 Распространение в природе.Н. — элемент земных глубин (в ультраосновных породах мантии его 0,2% по массе). Существует гипотеза, что земное ядро состоит из никелистого железа; в соответствии с этим среднее содержание Н. в земле в целом по оценке около 3%. В земной коре, где Н. 5,8×10-3%, он также тяготеет к более глубокой, так называемой базальтовой оболочке. Ni в земной коре — спутник Fe и Mg, что объясняется сходством их валентности (II) и ионных радиусов; в минералы двухвалентных железа и магния Н. входит в виде изоморфной примеси. Собственных минералов Н. известно 53; большинство из них образовалось при высоких температурах и давлениях, при застывании магмы или из горячих водных растворов. Месторождения Н. связаны с процессами в магме и коре выветривания. Промышленные месторождения Н. (сульфидные руды) обычно сложены минералами Н. и меди (см. Никелевые руды). На земной поверхности, в биосфере Н. — сравнительно слабый мигрант. Его относительно мало в поверхностных водах, в живом веществе. В районах, где преобладают ультраосновные породы, почва и растения обогащены никелем.

Физические  свойства.

 При обычных  условиях Н. существует в виде b-модификации, имеющей гранецентрированную  кубическую решётку (a = 3,5236 ). Но  Н., подвергнутый катодному распылению  в атмосфере H2, образует a-модификацию,  имеющую гексагональную решётку  плотнейшей упаковки (а = 2,65 , с  = 4,32 ), которая при нагревании  выше 200 °С переходит в кубическую. Компактный кубический Н. имеет  плотность 8,9 г/см3 (20 °С), атомный  радиус 1,24 , ионные радиусы: Ni2+ 0,79 , Ni3+ 0,72 ; tпл 1453 °С; tkип около 3000 °С; удельная  теплоёмкость при 20 °С 0,440 кдж/(кг·К) [0,105 кал/(г°С)]; температурный коэффициент  линейного расширения 13,310-6 (0—100 °С); теплопроводность при 25 °С 90,1 вмl (м·K) [0,215 кал/(см·сек·оС)]; то же при  500 °С 60,01 вм/(м·К) [0,148 кал/см (сек·оС)]. Удельное  электросопротивление при 20 °С 68,4 ном·м, т. е. 6,84 мком·см; температурный  коэффициент электросопротивления 6,8×10-3 (0—100 °С).

  Н. —  ковкий и тягучий металл, из  него можно изготовлять тончайшие  листы и трубки. Предел прочности  при растяжении 400—500 Мн/м2 (т. е. 40—50 кгс/мм2), предел упругости 80 Мн/м2, предел текучести 120 Мн/м2; относительное  удлинение 40%; модуль нормальной  упругости 205 Гн/м2; твёрдость по  Бринеллю 600—800 Мн/м2. В температурном  интервале от 0 до 631 К (верхняя  граница соответствует Кюри точке)  Н. ферромагнитен. Ферромагнетизм  Н. обусловлен особенностями строения  внешних электронных оболочек (3d84s2) его атомов. Н. вместе с Fe (3d64s2) и Со (3d74s2), также ферромагнетиками, относится к элементам с недостроенной  3d-электронной оболочкой (к переходным 3d-металлам). Электроны недостроенной оболочки создают нескомпенсированный спиновый магнитный момент, эффективное значение которого для атомов Н. составляет 6 mБ, где mБ — Бора магнетон. Положительное значение обменного взаимодействия в кристаллах Н. приводит к параллельной ориентации атомных магнитных моментов, т. е. к ферромагнетизму. По той же причине сплавы и ряд соединений Н. (окислы, галогениды и др.) магнитоупорядочены (обладают ферро-, реже ферримагнитной структурой, см. Магнитная структура). Н. входит в состав важнейших магнитных материалов и сплавов с минимальным значением коэффициента теплового расширения (пермаллой, монель-металл, инвар и др.).

Химические  свойства

  .Ni сходен с Fe и Со, но также и с Cu и благородными металлами. В соединениях проявляет переменную валентность (чаще всего 2-валентен). Н. — металл средней активности, Поглощает (особенно в мелкораздробленном состоянии) большие количества газов (H2, CO и др.); насыщение Н. газами ухудшает его механические свойства. Взаимодействие с кислородом начинается при 500 °С; в мелкодисперсном состоянии Н. пирофорен — на воздухе самовоспламеняется. Из окислов наиболее важна закись NiO — зеленоватые кристаллы, практически нерастворимые в воде (минерал бунзенит). Гидроокись выпадает из растворов никелевых солей при прибавлении щелочей в виде объёмистого осадка яблочно-зелёного цвета. При нагревании Н. соединяется с галогенами, образуя NiX2. Сгорая в парах серы, даёт сульфид, близкий по составу к Ni3S2. Моносульфид NiS может быть получен нагреванием NiO с серой.

С азотом Н. не реагирует даже при высоких  температурах (до 1400 °С). Растворимость  азота в твёрдом Н. приблизительно 0,07% по массе (при 445 °С). Нитрид Ni3N может  быть получен пропусканием NH3 над NiF2, NiBr2 или порошком металла при 445 °С. Под действием паров фосфора  при высокой температуре образуется фосфид Ni3P2 в виде серой массы. В  системе Ni — As установлено существование  трёх арсенидов: Ni5As2, Ni3As (минерал маухерит) и NiAs. Структурой никель-арсенидного  типа (в которой атомы As образуют плотнейшую гексагональную упаковку, все октаэдрические пустоты которой  заняты атомами Ni) обладают многие металлиды. Неустойчивый карбид Ni3C может быть получен медленным (сотни часов) науглероживанием (цементацией) порошка Н. в атмосфере CO при 300 °С. В жидком состоянии Н. растворяет заметное количество С, выпадающего при охлаждении в виде графита. При выделении графита Н. теряет ковкость и способность обрабатываться давлением.

 В ряду  напряжений Ni стоит правее Fe (их нормальные  потенциалы соответственно —0,44 в и —0,24 в) и поэтому медленнее,  чем Fe, растворяется в разбавленных  кислотах. По отношению к воде  Н. устойчив. Органические кислоты  действуют на Н. лишь после  длительного соприкосновения с  ним. Серная и соляная кислоты  медленно растворяют Н.; разбавленная  азотная — очень легко; концентрированная  HNO3 пассивирует Н., однако в меньшей  степени, чем железо.

При взаимодействии с кислотами образуются соли 2-валентного Ni. Почти все соли Ni (II) и сильных  кислот хорошо растворимы в воде, растворы их вследствие гидролиза имеют кислую реакцию. Труднорастворимы соли таких  сравнительно слабых кислот, как угольная и фосфорная. Большинство солей  Н. разлагается при прокаливании (600—800 °С). Одна из наиболее употребительных  солей — сульфат NiSO4 кристаллизуется  из растворов в виде изумруднозелёных кристаллов NiSO4×7H2O — никелевого купороса. Сильные щёлочи на Н. не действуют, но он растворяется в аммиачных растворах  в присутствии (NH4)2CO3 с образованием растворимых аммиакатов, окрашенных в интенсивно-синий цвет; для большинства  из них характерно наличие комплексов [Ni (NH3)6]2+ и [Ni (OH)2(NH3)4]. На избирательном  образовании аммиакатов основываются гидрометаллургические методы извлечения Н. из руд. NaOCI и NaOBr осаждают из растворов  солей Ni (II), гидроокись Ni (OH)3 чёрного  цвета. В комплексных соединениях Ni, в отличие от Со, обычно 2-валентен. Комплексное соединение Ni с диметилглиоксимом (C4H7O2N)2Ni служит для аналитического определения Ni.

 При повышенных  температурах Н. взаимодействует  с окислами азота, SO2 и NH3. При  действии CO на его тонкоизмельчённый  порошок при нагревании образуется  карбонил Ni (CO)4 (см. Карбонилы металлов). Термической диссоциацией карбонила  получают наиболее чистый Н. 

Никель  и его соединения в продуктах питания.

Никель, содержащийся в натуральных пищевых продуктах, не несет в себе никакой опасности, чего нельзя сказать о продуктах, выращенных в зоне загрязненной промышленными  соединениями этого микроэлемента. Такие продукты могут вызвать  отравление, так как в них кумулируется большое количество никеля, и длительное их употребление способно вызвать онкологические заболевания.Наиболее богат никелем шоколад, какао порошок, соя и бобы. Меньше его в белом шоколаде, нуте, маргарине, рисе, мясе. Частично никель (около четверти) поступает в организм с водой. Вообще данный микроэлемент в большем количестве содержится в растительной пище, нежели в пище животного происхождения. В связи с этим у вегетарианцев никогда не развиваются состояния, связанные с дефицитом никеля нахождение элемента в пищевом сырье и продуктах питания.

Дефицит

Если по какой-то причине наступает дефицит никеля, то выражается такое состояние замедлением  роста, анемией и повышением уровня глюкозы в крови. Достаточно скорректировать  питание, увеличив долю продуктов с  высоким содержанием этого микроэлемента. Специально принимать препараты, содержащие никель без подтвержденного факта  дефицита нельзя, так как он обладает токсическим, мутагенным и тератогенным эффектом.

Взаимодействие  с другими веществами

Аскорбиновая  кислота снижает усвоение никеля организмом, таким же образом действуют  чай, молоко, кофе, апельсиновый сок. При дефиците железа, магния и кальция напротив, увеличивается его абсорбция. У беременных женщин и в период лактации также повышена всасываемость данного микроэлемента.

Суточная  потребность

У взрослого  человека составляет от 35 до 60 мкг. В  сутки человек с пищей получает с пищей около 100 мкг, то есть полностью  покрывается необходимость в  данном микроэлементе. В связи с  чем дефицит никеля развивается  очень редко.

Никель  в организме является необходимым  микроэлементом.

Среднее содержание его в растениях 5,0·10-5% на сырое  вещество, в организме наземных животных 1,0×10-5%, в морских — 1,6×10-5%. В животном организме Н. обнаружен в печени, коже и эндокринных железах; накапливается  в ороговевших тканях (особенно в  перьях). Физиологическая роль Н. изучена  недостаточно. Установлено, что Н. активирует фермент аргиназу, влияет на окислительные  процессы; у растений принимает участие  в ряде ферментативных реакций (карбоксилирование, гидролиз пептидных связей и др.). На обогащенных Н. почвах содержание его в растениях может повыситься в 30 раз и более, что приводит к  эндемическим заболеваниям (у растений — уродливые формы, у животных — заболевания глаз, связанные  с повышенным накоплением Н. в  роговице: кератиты, кератоконъюнктивиты).

 

Биологическая роль

Никель относится  к числу микроэлементов, необходимых  для нормального развития живых  организмов. Однако о его роли в  живых организмах известно немного. Известно, что никель принимает участие  в ферментативных реакциях у животных и растений. В организме животных он накапливается в ороговевших  тканях, например, в перьях.

Повышенное  содержание никеля в почвах приводят к эндемическим заболеваниям — у  растений появляются уродливые формы, у животных — заболевания глаз, связанные с накоплением никеля в роговице.

Цельный металлический  никель не опасен. Пыль, пары никеля и  его соединений токсичны. Как было сказано выше, никель способен накапливаться  в роговице, поэтому отравление им может привести к значительному  ухудшению зрения. Никель — канцерогенное  вещество. Токсическая доза никеля (для крыс) — 50 мг. Особенно вредны летучие  соединения никеля, в частности, его  тетракарбонил Ni(CO)4. ПДК никеля в воздухе составляет от 0,0002 до 0,001 мг/м3 (для различных соединений).

Методы  качественного и количественного  определения элемента

Использование: в аналитической химии, в системе  контроля за содержанием металлов-загрязнителей  в пищевых продуктах, почве,воде и растительной продукции. Сущность изобретения: для одновременного качественного  и количественного определения  группы металлов в растительном сырье, продуктах переработки плодов и ягод и атмосферных осадках анализируемую пробу (золу, полученную сухим озолением из растительных образцов, соков, заготовок для вин или упаренную на водяной бане пробу атмосферных осадков), в которой устанавливают рН 4 - 6, обрабатывают комплексоном, полученную суспензию комплексов пропускают через стеклянный фильтр, концентрат растворяют в ацетонитриле и разделяют полученные хелаты металлов в хроматографической колонке, заполненной обращенно-фазным сорбентом, с последующим детектированием в УФ-области (двухволновая детекция). Используют подвижную фазу (элюент) определенного состава ( ацетонитрил-буферный раствор ( рН 5,4) - NaDЭДТК - хлороформ).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы:

1. Рипан Р., Четяну И., Неорганическая химия, т. 2 — Металлы, пер. с рум., М., 1972, с. 581—614;

2. Справочник металлурга по цветным металлам, т. 2 — Цветные металлы, М., 1947 (Металлургия никеля, с. 269—392);

3. Войнар А. И., Биологическая роль микроэлементов в организме животных и человека, 2 изд., М., 1960;

4. Биологическая роль микроэлементов и их применение в сельском хозяйстве и медицине, т. 1—2, Л., 1970